CN111036812A

CN111036812A - 一种金属复合产品结合界面氧化物控制方法

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Publication number: CN111036812A
Application number: CN201911379234.0A
Authority: CN
Inventors: 张心金; 祝志超; 杨康; 朱琳; 刘凯泉; 王宝忠
Original assignee: TIANJIN HEAVY EQUIPMENT ENGINEERING RESEARCH CO LTD; China First Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: TIANJIN HEAVY EQUIPMENT ENGINEERING RESEARCH CO LTD; China First Heavy Industries Co Ltd
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2020-04-21
Anticipated expiration: 2039-12-27
Also published as: CN111036812B

Abstract

本发明公开了一种金属复合产品结合界面氧化物控制方法，属于增材制坯工艺技术领域，解决了现有技术中复合后坯料的结合界面处氧化物的严重影响复合坯的整体性能，导致坯料复合后易发生结合界面开裂的技术问题。本发明结合界面氧化物控制方法通过V1变形速度、变形量D1的初次热压加工，二次高温加热保温与V2变形速度、变形量D2的二次热压加工的两阶段工艺，碎化、消除结合界面处氧化物，其中V1＞V2，且D1+D2≥50％。本发明通过两阶段高温段的保温控制和热加工工艺控制，可用于大型增材复合金属产品结合界面氧化物的碎化、消除控制。

Description

一种金属复合产品结合界面氧化物控制方法

技术领域

本发明属于增材制坯工艺技术领域，尤其涉及一种金属复合产品结合界面氧化物控制方法。

背景技术

大型金属复合产品用真空封装增材制坯的方法是指用多层加工洁净的大型金属坯料经堆垛后真空封焊连接，所焊接坯料间结合界面处为真空状态，后经高温热压加工制备的一体化、大型整体金属复合坯的方法。该金属复合坯可替代大型铸锭，并经后续热压力加工，制备所需锻件产品。该制坯方法可以替代“大型铸锭生产大型锻件”的传统生产模式，解决大型锻件缩松、缩孔、偏析等质量问题。同时，该复合制坯技术也可用于异种材质复合坯的增材复合。因此，具有明显的优越性，可替代传统大型铸锭，且与电渣产品相媲美。

由于增材复合制坯技术可适用于生产各种形状的高品质大型金属产品，如轴类件、饼类件、板类件、环类件、筒类件、异形件等，产品材质可为合金钢、不锈钢、镍基合金、钛合金等众多材质，可广泛应用于核电、火电、水电、风电、石化、海工、造船等众多军民两用领域，由于该方法结构灵活，质量稳定，可实现智能化、工程化、批量化应用，节省能源，具有重要的经济效益，市场前景广阔。

对于利用真空封装热加工增材制坯方法制备的一体化金属复合坯，其常规拉伸、冲击、剪切等性能均呈现良好状态，且组织分布均匀，无偏析，但其疲劳性能却不能满足产品要求。经过业界多次会议论证，普遍认为界面氧化物是导致其疲劳性能不良的原因。因此，对于利用真空封装热加工增材制坯方法制备的一体化金属复合坯的工艺方法，迫切需要有效消除或控制结合界面氧化物，以提高其疲劳性能，从而才能大范围推广和应用。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种金属复合产品结合结合界面氧化物控制方法，用以解决复合后毛坯的结合界面处氧化物的严重影响复合坯的整体性能，导致坯料复合后易发生结合界面开裂等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种金属复合产品结合界面氧化物控制方法，通过V1变形速度、变形量D1的初次热压加工，二次高温加热保温与V2变形速度、变形量D2的二次热压加工的两阶段工艺，碎化、消除结合界面处氧化物，其中V1＞V2，且D1+D2≥50％。

进一步的，结合界面氧化物控制方法包括以下步骤：

S1.准备初始坯料；

S2.对初始坯料进行加工及表面清洁；

S3.对初始坯料进行组坯，并在真空下对结合界面四周进行密封焊接，得到复合坯焊接体；

S4.对复合坯焊接体经高温加热后进行初次热压加工，得到复合坯；

S5.对复合坯进行二次高温加热保温；

S6.对复合坯进行二次热压加工获得一体化复合坯。

进一步的，S2中，对初始坯料进行表面加工，去除表面氧化皮，且使结合表面粗糙度≤3.2μm，坯料的待焊接上下表面具有较好的平直度(平直度值≤2mm/m)以及棱边垂直度。棱边垂直度即为坯料四周的面与坯料上下表面的垂直度。

进一步的，S3中，焊接方式采用真空电子束焊接，抽真空后对结合界面四周进行密封焊接，焊接舱内部真空度≤0.1Pa，焊缝熔深≥15mm，焊接部位经检测无漏气点。

进一步的，S4中，复合坯焊接体热压加工前加热保温温度≥0.7Tm，Tm为熔点温度。

进一步的，S4中，初次热压加工时压下量≥30％，10mm/s≤变形速度≤60mm/s，得到复合坯。

进一步的，S5中，对经初次热压加工后的复合坯进行二次回炉高温加热保温，保温温度≥0.8Tm，Tm为熔点温度，保温时间≥1h。

进一步的，S6中，二次热压加工时总压下量≥50％，变形速度＜10mm/s，得到一体化复合坯。

进一步的，S2中，采用有机溶剂对初始坯料结合表面进行清洗，去除油除污，并吹干，进行包装防止氧化和二次污染。

进一步的，S3中，在对结合界面四周进行密封焊接前，进行点焊定位，保障后续焊接位置的准确性。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

1)本发明提供了一种金属复合产品结合界面氧化物控制方法，即在初始坯料结合表面清洁加工及有效真空焊接封装的前提下，通过初次快速率大变形热压加工、二次高温保温与慢速率二次热压加工的两阶段工艺，有效碎化、消除结合界面处氧化物。

2)初次快速率大变形热压加工以10mm/s≤变形速度≤60mm/s对复合坯进行加压变形，并使坯料难变形区总变形量达30％以上，较合适的变形速率和较大压下率有利于结合界面氧化膜破碎及新鲜金属的扩散结合；

对复合坯进行二次加热高温保温，提高复合坯难变形区温度，增加复合坯的金属流动性，使二次热加工容易压合，同时防止二次热加工时复合坯开裂；二次热压加工的变形速度＜10mm/s，二次热加工时保障复合坯总压下量≥50％，促进结合界面氧化物的弥散与消除，使其更加细小，从而达到消除结合界面氧化物的目的；二次加热与热加工，可有效促进界面元素的充分扩散与界面结合。

3)由于增材制坯属于大型锻件制备领域，一次热加工复合坯可能变形不充分，通过二次加热与二次热加工，一方面有效保障变形量，减小对压机设备能力的压力要求；同时利用二次保温，有效解决初始热加工变形对结合界面的影响，促进金属之间的界面扩散，促进界面回复与结合。

4)通过本发明能够有效解决界面氧化物问题，有效促进增材复合制坯技术的发展与推广。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及权利要求书中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1待焊接复合坯；

图2实施例1的界面氧化物微观形貌；

图3实施例1的结合界面能谱；

图4对比例1的界面氧化物微观形貌；

图5对比例1的结合界面能谱；

图6实施例1拉伸断裂图；

图7实施例1断口形貌；

图8实施例1断口放大形貌；

图9对比例1拉伸断裂图；

图10对比例1断口形貌；

图11对比例1断口放大形貌；

图12实施例2的界面氧化物微观形貌。

具体实施方式

以下结合具体实施例对一种金属复合产品结合界面氧化物控制方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

本发明提供了一种金属复合产品结合界面氧化物控制方法，包括以下步骤：

S1.准备初始坯料；

S2.对初始坯料进行加工及表面清洁；

S3.对坯料进行组坯，并在真空下对结合界面四周进行密封焊接，得到复合坯焊接体；

S4.对复合坯焊接体经高温加热后进行快速率大变形初次热压加工，初步得到复合坯；

S5.对复合坯进行二次加热高温保温；

S6.对复合坯进行慢速率二次热压加工获得一体化复合坯，后续可进行正常锻造及热处理等其它工序。

S1.准备初始坯料：初始坯料可以是同种材料，也可以是异种材料，可采用锻坯、铸坯、轧坯或热轧厚板等，切割加工至所需形状及尺寸，如正方体状、长方体状、圆柱体状、环形状等众多规则形状，每层初始坯料形状相同。

S2.对初始坯料加工及表面清洁：对所用初始坯料进行表面加工，加工方式可采用铣床、磨床、砂带打磨、砂轮打磨、钢丝打磨、喷砂、酸洗、碱洗等众多方式，一方面，有效去除原料表面氧化皮，保证结合表面粗糙度≤3.2μm，提高表面光洁度有利于后续表面的油污去除，同时在后续抽真空环节可大大减小密封孔隙尺寸及数量，提高抽真空质量；另一方面，保障坯料待焊接上下表面的平行度与坯料棱边的垂直度，有效保障焊接时的电子束焊枪移动时焊接位置的准确性。采用酒精、丙酮等有机溶剂对初始坯料结合表面进行清洗，以便除油除污，并吹干，简单包装如薄膜覆盖以防止氧化和二次污染，表面清洁后放置时间不宜过长。

S3.对坯料进行组坯，并在真空下对结合界面四周进行密封焊接，得到复合坯焊接体：将完成加工和清洁的初始坯料根据需求数量依次堆垛对齐放置，并检查各待焊接位置外观状况。待堆垛体放入真空室后，对真空室抽真空，当真空度≤0.1Pa后，利用电子束焊枪，对各层结合界面的四周进行密封焊接，焊接熔深≥15mm，熔深设计主要考虑两个方面：一方面确保焊缝的密封性，防止焊缝在常温下及后续加热时的漏气；另一方面，保障复合坯焊接体在冷态与后续热态时起吊转运时的承力，防止焊缝开裂。得到复合坯焊接体，复合坯焊接体尺寸设计符合热压加工高径比要求，防止热压加工失稳。

利用电子束焊接时，为保障各结合界面处的真空度，复合坯焊接体在所有焊接位置未焊接完毕前不允许从真空室取出。各条焊缝在正式焊接前，应进行点焊定位，即采用电子束焊枪沿待焊接缝点焊数点以作标记，并设置焊接路径，从而保障后续焊接位置的准确性。

S4.对复合坯焊接体经高温加热后进行热压加工，初步得到复合坯：将通过上述方法制备得到的复合坯焊接体经高温保温热透后，采用热压加工，其中，复合坯热压加工前保温温度≥0.7Tm(熔点温度)，复合坯焊接体底部加入垫铁，以便均匀加热；依据目前国内外大型压机或轧机设备的制备能力，以10mm/s≤变形速度≤60mm/s对复合坯进行加压变形，并使坯料难变形区总变形量达30％以上，较合适的变形速率和较大压下率有利于结合表面氧化膜破碎及新鲜金属的扩散结合；对于大型压机，可进行形变保压，保压时间可依据坯料材料的热加工特性进行设计；保压不再变形或复合坯四周表面温度降至950℃后，转入加热炉中进行后续高温保温。

S5.对复合坯进行二次加热高温保温：对经热加工后的复合坯进行二次回炉加热保温，保温温度≥0.8Tm，到温后保温时间≥1h，同时兼顾材料本身晶粒长大规律及表面烧损等进行控制保温极限时间。二次保温目的：一是补充坯料温度，便于后续二次热加工，保障金属流动性；二是消除前序热加工造成的界面应力，促进界面元素充分扩散与原子间重构，促进界面结合。

S6.对复合坯进行慢速率二次热压加工获得一体化复合坯，后续可进行正常锻造及热处理等其它工序：复合坯二次热压加工前保温温度≥0.8Tm(Tm为熔点温度)，待达到所需保温规程后，进行二次热压加工，其中，热加工时保障复合坯总压下量≥50％，二次热压加工的变形速度＜10mm/s，从而得到满足后续加工需求的一体化复合坯，保障后续加工需要。

实施例1

本发明的一个具体实施例，材质为压力容器用低碳合金钢，其成分及含量范围(质量分数)为C：0.15～0.25％，Si：0.1～0.3％，Mn：1.2～1.5％，S≤0.02％，P≤0.02％，Cr：0.1～0.25％，Ni：0.6～0.9％，Mo：0.45～0.60％，Cu：0.04～0.15％，Al：0.01～0.025％，V：0.005～0.05％，Cb≤0.01％，Ca≤0.015％，B≤0.003％，Ti≤0.015％。初始坯料锻坯的尺寸为：100×100×50mm(长×宽×厚)，数量为3块；采用铣床加工，分别将钢板的结合表面与四周表面上的锈层和氧化层去除，并保障坯料待焊接上下表面的平行度与坯料棱边的垂直度，表面粗糙度1.6μm。采用酒精、丙酮等有机溶剂对初始坯料结合表面进行清洗，去除表面油污，并吹干，放置于干燥洁净的环境中并用薄膜覆盖，以防止二次污染，准备待用。

将3块加工好的钢板依次进行堆垛放置，并对齐各条棱边，如图1堆垛所示，并检查各待焊接位置外观状况，并用卡具进行固定在电子束焊接工作台面上。待堆垛体随工作台进入真空室后，关闭焊机舱门，打开真空系统，对真空舱室抽真空，当真空度≤0.1Pa后，准备正式焊接。其中，在正式焊接前，用电子束焊枪沿每条待焊接缝点焊4点以作标记，并设置焊接路径，以保障后续焊接位置的准确性。正式焊接时，焊接真空度7.5×10^-2Pa，焊接电压60kV，束流150mA，聚焦580mA，熔深约15mm。真空度务必达到≤0.1Pa，尽量减少结合界面缝隙的氧含量对界面氧化物的影响；熔深≥15mm，一方面确保焊缝的密封性，防止焊缝在常温下及后续加热时的漏气；另一方面，保障复合坯焊接体在冷态与后续热态时起吊转运时的承力，防止焊缝开裂。当然，焊缝的熔深并不是无限大，目前设备能力最大熔深约在40～60mm之间。待焊接完毕后，宏观检测各条焊缝，以确保复合坯焊接体焊接质量。

将焊接密封后的复合坯焊接体置于电阻炉中加热，根据钢的熔点近似值测算经验公式(T_熔点＝1536.6-88[C]-8[Si]-5[Mn]-5[Cr]-4[Ni]-30[P]-25[S]-2[Mo]-18[Ti]-2[V]，将钢中的各成分的质量分数带入公式进行近似计算)，其熔点约为1470℃，选用保温温度为1230℃左右，保温2h，复合坯焊接体底部加入垫铁，以便均匀加热；随后通过压机进行锻压复合，锻压复合温度区间为950～1230℃(坯料表面温度)，压下量为30％，压下变形速度约15mm/s，厚度由150mm压至约为105mm，随后保压，不再变形，待复合坯四周表面温度降至950℃后，将复合坯转运至加热炉重新回炉加热。

二次回炉高温加热温度选取1250℃，保温1h，以促进界面间的扩散连接；然后仍沿第一次加工方向进行二次热压加工，其中，二次热压加工时压下量为30mm，从而保障复合坯两次总压下量为50％，二次热压加工的变形速度约为3mm/s，随后保压，不再变形，待复合坯四周表面温度降至950℃后，将此复合坯放置于炉温为950℃的加热炉中，然后随炉冷却至200℃，随后取出炉冷至室温。将复合坯置于炉温为950℃的加热炉中随炉冷却进行缓冷，可防止复合坯开裂，并起到界面回复，去除应力的作用。

将冷却后的一体化复合坯沿1/2宽度位置进行纵向加工，随后在结合界面的位置切取金相试样，图2为结合界面氧化物微观形貌，并对界面进行微观评价。由图2可以看出，一体化复合坯的结合界面中界面氧化物明显碎化，图3为实施例1的结合界面的能谱，由图3可知结合界面处的成分(图中“0”点位置)与两侧坯料的成分一致，说明采用实施例1的方法制备的一体化复合坯能破碎、去除界面氧化物。

经多次拉伸检测，拉伸断裂位置均位于基体位置，并不是在结合界面处断裂，如图6所示，其中试样箭头所指的横线位置为结合界面位置，说明结合界面处界面结合性能良好，抗拉强度良好。由图7、图8可知，断口为韧性断口形貌，属韧性断裂，通过断口微观观察，断口韧窝较深，几乎无夹杂物，经测量，其断面收缩率约为74.2％，具有很好的韧性。

对比例1

图4为压力容器用低碳合金钢(与实施例1材质相同)在大气下焊接，经1230℃保温50％变形量锻压复合后界面氧化物微观图，图4中存在明显的界面氧化物。图5为对比例1的结合界面能谱，由图5可知，结合界面处的成分(图中“0”点位置)与结合界面两侧坯料的成分明显不同，也说明存在明显的界面氧化物。

对比例1经多次拉伸检测，有部分断裂位置位于界面位置，图9为断裂位置位于结合界面处的拉伸断裂图，白色箭头位置为拉伸过程中颈缩最大处，黑色箭头位置为结合界面位置。由图10可知对比例1的断口非常平坦，由图11微观观察可知断口韧窝较浅，且布满大、小颗粒的夹杂物，断口多处为解理断口，属于脆性断裂，图11扫描图中十字位置的夹杂物经EDS分析，为氧化物；经观察，拉伸试样最大颈缩处位于结合界面旁边，说明试样在拉伸时，变形开始位置并不是在界面处，当颈缩到一定程度后，旁边的结合界面发生快速断裂；经测量，结合界面处断面收缩率几乎为零，说明断裂位置几乎未发生颈缩就瞬间断裂，结合性能极差。

与对比例1相比，实施例1的界面结合强度明显高于对比例1的界面结合强度。实施例1中结合界面处氧化物得到明显改善，拉伸性能得到明显提高。

实施例2

本发明的一个具体实施例，汽轮机低压转子用30Cr2Ni4MoV钢，初始坯料锻坯：100mm×100mm×50mm(长×宽×厚)，3块；采用铣床加工，分别将钢板的结合表面与四周表面上的锈层和氧化层去除，并保障坯料待焊接上下表面的平行度与坯料棱边的垂直度，表面粗糙度1.6μm。采用酒精、丙酮等有机溶剂对初始坯料结合表面进行清洗，去除表面油污，并吹干，放置于干燥洁净的环境中并用薄膜覆盖，以防止二次污染，准备待用。

将3块加工好的30Cr2Ni4MoV钢板依次进行堆垛放置，并对齐各条棱边，如图1堆垛所示，并检查各待焊接位置外观状况，并用卡具进行固定在电子束焊接工作台面上。待堆垛体随工作台进入真空室后，关闭焊机舱门，打开真空系统，对真空舱室抽真空，当真空度≤0.1Pa后，准备正式焊接。其中，在正式焊接前，用电子束焊枪沿每条待焊接缝点焊4点以作标记，并设置焊接路径，以保障后续焊接位置的准确性。正式焊接时，焊接真空度6.2×10^- ²Pa，焊接电压60kV，束流150mA，聚焦570mA，熔深约16mm。待焊接完毕后，宏观检测各条焊缝，以确保复合坯焊接体焊接质量。

将焊接密封后的复合坯焊接体置于电阻炉中加热，根据钢的熔点近似值测算经验公式，其熔点约为1453℃，选用保温温度为1230℃左右，保温2h，复合坯焊接体底部加入垫铁，以便均匀加热；随后通过压机进行锻压复合，锻压复合温度区间为950～1230℃(坯料表面温度)，压下量为30％，压下变形速度约15mm/s，厚度由150mm压至约为105mm，随后保压，不再变形，待复合坯四周表面温度降至950℃后，将复合坯转运至加热炉重新回炉加热。

二次回炉高温加热温度选取1250℃，保温1.5h，以促进扩散连接；然后仍沿第一次加工方向进行二次热压加工，其中，二次热压加工时压下量为52.5mm，从而保障复合坯两次总压下量为65％，二次热压加工的变形速度约为5mm/s，随后保压，不再变形，待复合坯四周表面温度降至950℃后，将此复合坯放置于炉温为950℃的加热炉中，然后随炉冷却至200℃，随后取出炉冷至室温。

将冷却后的复合坯沿1/2宽度位置进行纵向加工，随后在结合界面的位置切取金相试样，图12为结合界面氧化物微观形貌，并对界面进行微观评价。由图12可以看出，一体化复合坯的结合界面中界面氧化物明显碎化，说明采用实施例2的方法制备的一体化复合坯能破碎、去除界面氧化物。

本发明提供的上述方法，即，通过热加工及加热保温工艺相结合的控制方法，可以较好的碎化、消除结合界面处氧化物，提高复合坯的整体性能，减少坯料复合后的结合界面开裂的情况。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种金属复合产品结合界面氧化物控制方法，其特征在于，通过V1变形速度、变形量D1的初次热压加工，二次高温加热保温与V2变形速度、变形量D2的二次热压加工的两阶段工艺，碎化、消除结合界面处氧化物，其中V1＞V2，且D1+D2≥50％。

2.根据权利要求1所述的金属复合产品结合界面氧化物控制方法，其特征在于，所述结合界面氧化物控制方法包括以下步骤：

S1.准备初始坯料；

S2.对初始坯料进行加工及表面清洁；

S5.对复合坯进行二次高温加热保温；

S6.对复合坯进行二次热压加工获得一体化复合坯。

3.根据权利要求2所述的金属复合产品结合界面氧化物控制方法，其特征在于，所述S2中，对初始坯料进行表面加工，去除表面氧化皮，且使结合表面粗糙度≤3.2μm，坯料的待焊接上下表面平直度好。

4.根据权利要求3所述的金属复合产品结合界面氧化物控制方法，其特征在于，所述S3中，焊接方式采用真空电子束焊接，抽真空后对结合界面四周进行密封焊接，焊接舱内部真空度≤0.1Pa，焊缝熔深≥15mm，焊接部位经检测无漏气点。

5.根据权利要求4所述的金属复合产品结合界面氧化物控制方法，其特征在于，所述S4中，复合坯焊接体热压加工前加热保温温度≥0.7Tm，Tm为熔点温度。

6.根据权利要求5所述的金属复合产品结合界面氧化物控制方法，其特征在于，所述S4中，初次热压加工时压下量≥30％，10mm/s≤变形速度≤60mm/s，得到复合坯。

7.根据权利要求6所述的金属复合产品结合界面氧化物控制方法，其特征在于，所述S5中，对经初次热压加工后的复合坯进行二次回炉高温加热保温，保温温度≥0.8Tm，Tm为熔点温度，保温时间≥1h。

8.根据权利要求7所述的金属复合产品结合界面氧化物控制方法，其特征在于，所述S6中，二次热压加工时总压下量≥50％，变形速度＜10mm/s，得到一体化复合坯。

9.根据权利要求2-8所述的金属复合产品结合界面氧化物控制方法，其特征在于，所述S2中，采用有机溶剂对初始坯料结合表面进行清洗，去除油污，并吹干，进行包装防止氧化和二次污染。

10.根据权利要求4所述的金属复合产品结合界面氧化物控制方法，其特征在于，所述S3中，在对结合界面四周进行密封焊接前，进行点焊定位，保障后续焊接位置的准确性。